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汽车电子制动力分配系统的控制策略研究摘要研究和提高汽车的制动性能是现在汽车设计的重要方向。计算机技术的发展与虚拟软件的应用为此研究提供了更有效的方法一汽车动力学的联合仿真技术，有效的缩短了汽车设计的周期，减少了设计成本，更降低了实车实验的危险性。汽车制动防抱死系统( a b s ) 是提高汽车主动安全性的主要装置，能够有效的缩短制动距离，提高制动时的稳定性。电子制动力分配系统( e b d ) 则是在a b s 系统的基础上进一步发展的汽车主动安全技术。e b d 系统在a b s 的基础上进一步缩短了制动时的制动距离，并提高制动时的稳定性。本文详细介绍了使用a d a m s c a r 模块建立制动子系统，建立适合本文仿真的轮胎和路面文件，以及如何实现c a r 与s i m u l i n k 之间闭环控制。利用逻辑门限控制方法对各个车轮的滑移率进行控制，对e b d 的整车后轮利用s 函数控制，使其滑移率始终小于等于前轮滑移率，对汽车在高附着路面、对开路面上的直线制动进行了仿真分析，表明e b d 系统能更有效的提高车辆的制动性能，同时改变仿真中的控制因素，对比仿真结果的变化，表明仿真中正确的选择仿真参数的重要性。本文整车模型的建立及路面、轮胎模型的建立以及与s i m u l i n k 之间的联合仿真，为以e b d 系统的开发提供了一种有效的手段。关键词：联合仿真，汽车，电子制动力分配，制动控制，a d a m s c a r ，s i m u l i n ks t u d yo nc o n t r o ls t r a t eo fe l e c t r o n i cb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o na b s t r a c ti ti sv e r yi m p o r t a n td i r e c t i o nt os t u d ya n di m p r o v et h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a ls o f ts u p p l yam o r ee f f e c t i v em e t h o d a u t o m o t i v ed y n a m i cc o s i m u l a t i o nf o rt h es t u d y i n g ，w h i c hc a ns h o r tt h ed e s i g np e r i o d ，c u td o w nt h ec o s t ，a n dr e d u c et h er i s ko ft h ee x p e r i m e n t t h ea bss y s t e mc a ni m p r o v et h es a f e t yo ft h ev e h i c l e ，c u tt h eb r a k i n gd i s t a n c e ，a n de n h a n c et h eb r a k i n gs t a b i l i t y t h ee l e c t r o n i cb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o n ( e b d ) i sm o r ee f f e c t i v eo nt h eb a s eo fa b s ，w h i c hc a nm a k eb e t t e rp e r f o r m a n c eo nb r a k i n gd i s t a n c e ，b r a k i n gs t a b i l i t y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sh o wt ob u i l dt h es u b s y s t e mo ft h eb r a k e a n dt h ef i l e so ft h et i r ea n dt h er o a d si nd e t a i l ，a l s oi n t r o d u c eh o wt or e a l i z et h ec l o s e d 1 0 0 pc o n t r o lb e t w e e nt h es o f to fc a ra n ds i m u l i n k t h i sa r t i c l ec o n t r o l st h es l i p r a t eo ft h ee a c hw h e e lb yl o g i ct h r e s h o l d ，a n dc o n t o r l st h er e a rw h e e lo fe b dv e h i c l ew i t hs - f u n c a t i o n ，m a k i n gi t ss l i p r a t ea l w a y sl e s st h a no re q u a lt h ef r o n tw h e e l s t h es i m u l a t i o n so ft h es t r a i g h tl i n eb r a k i n go nt h eh i g hc o e f f i c i e n ta n dv a r i a n tc o e f f i c i e n tr o a d st e s t i f ye b dc a nm a k eb e t t e rb r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e a n dc h a n g i n gt h ec o n t r o lf a c t o ro ft h es i m u l a t i o n ，a n dt e s t i n gt h ec h a n g e so ft h es i m u l a t i o n ，c a nt e s t i f yt h ei m p o r t a n c eo ft h ec o r r e c ts i m u l a t i o np a r a m e t e r 。t h eb u i l d i n go ft h em o d e lo fv e h i c l e ，t h ef i l e so fr o a d sa n dt i r e si nt h i sa r t i c l ea n dt h ec o s i m u l a t i o n ，p r o v i d ea ne f f e c t i v em e t h o df o re b ds y s t e m k e y w o r d s ：c o - s i m u l a t i o n ，v e h i c l e ，e b d ，b r a k i n g - c o n t r o l ，a d a m s c a r ，s i m u l i n k插图清单图2 1e b d 控制系统的汽车制动力分配曲线9图2 2e b d 的工作区间1 0图2 3e b d 的控制过程1 1图2 4 车轮在制动时的受力情况1 2图4 1 联合仿真原理图2 8图4 2 联合仿真步骤2 8图4 3 盘式制动器2 9图4 4 输入变量的设置3 0图4 5 输出变量的设置( 制动力矩的控制) 3 0图4 6 输入宏的定义31图4 7 整车模型图3 2图4 8c a r 中路面的原理图3 4图4 9 附着系数为0 8 的路面参数3 5图5 1 直线制动的参数设置3 6图5 2 设置联合仿真的输入输出变量3 7图5 3 设置的输入输出变量图3 9图5 4 变量列表3 9图5 5a d a m s s y s 模块3 9图5 6a d a m s s u b 的结构。4 0图5 7a d a m sp l a n t ( 机械动态模块) 的参数设置4 0图5 8a b s 的控制策略图4 1图5 9e b d 的控制策略图4 1图5 1 0e b d 控制流程4 3图5 1 1 滑移率子系统4 3图5 1 2 纵向距离的对比4 4图5 1 3 整车纵向速度的变化4 4图5 1 4 整车横摆角速度的变化4 4图5 1 5 整车横向位移的变化4 4图5 1 6 整车横向速度的变化4 5图5 1 7a b s 和e b d 的整车车轮和前后轮轮速的对比4 5图5 1 8a b s 和e b d 的整车后轮轮速的对比4 5图5 1 9 整车横摆角速度的对比。4 6图5 2 0 整车横向位移的对比4 6图5 2 1 整车纵向位移的对比。4 6图5 2 2 整车横向速度的对比4 7图5 2 3 整车纵向速度的对比4 7图5 2 4e b d 整车车速和车轮轮速的对比4 7图5 2 5a b s 的整车车速和车轮轮速的变化4 7图5 2 6a b s 和e b d 的整车后轮轮速的对比4 8图5 2 7 整车横摆角速度的变化。4 8图5 2 8 车轮横向受力的变化。4 9图5 2 9 整车纵向和横向位移的变化4 9图5 3 0 整车横摆角速度的变化4 9图5 3 l 整车纵向距离和横向距离的变化4 9图5 3 2 整车横向受力的变化5 0表格清单表4 1 整车参数3 2表4 2 车轮参数3 3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒魍工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：未】龟签字日期：2 刊净争月，；e l学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金坦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目垦王些盔兰芑一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文者签名：刻杰导师签名：签字日期：矿净r 月，口日签字日期：学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：2电话：邮编：多，改拍孔致谢本文是在我的导师孙骏教授的悉心指导下完成的在这里由衷感谢孙骏老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的治学态度和道德情操，老师广博的学识、严谨的作风、诲人不倦的教育情怀、对教育事业以及对汽车产业的忠诚必将使我终身受益，并激励我勇往直前。我需要特别提出的是在我生病和受伤的时刻，是孙老师无微不至的关怀才使得我顺利完成了硕士阶段的所有学业。同时，真诚感谢机汽学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。感谢家人在精神上的大力支持，感谢我的舍友程龙群同学在生活上的帮助，感谢师兄王少凯和师弟熊小根以及0 6 级研究生0 3 班所有同学在学习和生活上的热心帮助。作者：刘杰2 0 0 9 年3 月第一章引言1 1 概述近年来，随着汽车工业的迅速发展，汽车普及率也大幅提高，人们每天都在享受着汽车这一交通工具给人们带来的便利。然而随着汽车保有量的迅速增加，道路行车密度的日益增大，汽车的行驶车速也在逐渐提升，这样便使得交通事故频繁发生，成为了现今社会的公害，给人们的生活蒙上了阴影。在最近的几年中，我国的汽车工业更是得到了迅猛的发展，使得我国的交通安全形势变得非常严峻，汽车安全技术的应用也迫在眉睫。因此，现在汽车行业也更加重视对汽车安全性能的研究。汽车的制动性能是汽车的主要性能之一，它关系到人的生命安全和财产安全，是汽车行驶的重要保障。所以，安全因素是当今汽车设计中最为优先考虑的因素。换句话说，汽车的所有性能中制动性能是最基础的，也是评价汽车安全性能的重要指标。重大交通事故往往与制动距离过长，紧急制动时发生侧滑、跑偏等情况有关，尤其是制动过程中车辆前进方向的行驶稳定性和制动距离。有研究显示，在道路交通事故中，约1 0 的事故是由于车辆在制动瞬间偏离预定轨道或车辆甩尾造成的，因此完善制动性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要措施。制动性能不好，其它优秀的汽车性能也就无法充分发挥出来。交通状况的恶化已经引起了人们对汽车安全性能的密切关注。这些都促使各个汽车生产厂商和研究机构在汽车制动系统的改进和发展上倾注了大量的人力物力。各国也都从安全要求出发制定了各种对制动装置的强制性标准，概括起来有以下几个方面i l l ：( 1 ) 制动效能：在良好的路面上，汽车从一定初速制动到停车的制动距离；( 2 )制动效能的恒定性：在高速或下长坡连续制动时，或制动器进水后，制动效能的保持程度及制动效能下降后的复原能力；( 3 )制动时汽车的方向稳定性：制动过程中，汽车防止出现行驶跑偏或后轴侧滑甩尾而失去控制行驶方向的能力。汽车的制动过程是很复杂的，它与汽车总布置和制动系各参数选择都有关系。汽车的制动系统主要由供能装置、传能装置、控制装置和制动器组成，制动器是其主要的总成。如何设置制动系参数进行整车匹配，使其达到最佳制动性能，是一项非常重要的任务。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得更加明显。目前关于汽车制动的研究士要集中在制动控制方面，包括制动控制的理论和方法，以及采用新的技术等。现在随着电子技术的进一步发展 2 】，各种电子控制装置也广泛应用于汽车制动系统，用来改善和提高汽车的制动性能。这些电子控制装置中出现较早的是制动防抱死系统( a b s ) ，它能有效的防止制动时的车轮抱死，防止发生制动跑偏。电子制动力分配系统e b d ( e l e c t r o n i cb r a k e f o r c ed i s t r i b u t i o n ) 是在a b s的基础上发展而来的，它是在a b s 发挥作用之前，平衡每个轮子的有效抓地力，从而改善制动力的平衡并缩短制动距离，另外牵引力控制系统，驱动防滑系统以及电子稳定程序等都能改善汽车的安全性。综上所述，汽车的制动安全性正向着更加电子化、精确化、综合化的方向发展。1 2 汽车a b s 和e b d 的发展历史a b s 的全称为防抱死制动系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ) ，是汽车重要的安全装置之一。在国外a b s 于1 9 2 0 年被发明申请专利，最早是使用在火车上，1 9 5 4 年f o r d 公司首先将其安装在轿车上，德国的博世( b o s c h ) 公司从上世纪7 0年代初开始一直在进行a b s 技术的研制工作，并且在相关技术领域获得多项专利，是目前世界上最大的a b s 生产制造商。随着a b s 技术的不断成熟，制造成本的降低，使其迅速普及，在欧美日等汽车强国中装车率已达到1 0 0 ( 轿车) 。在中国，汽车电子控制技术是在汽车工业“九五 计划中作为重点攻关项目提出的，a b s 是主要内容之一。东风汽车公司从上世纪8 0 年代初就开始研究a b s ，现在该公司正在对w a b c o 公司的a b s 产品进行剖析，并在各种路面上进行试验；重庆公路研究所的第一代a b s 电子控制单元( e c u ) 采用了z 8 0 芯片，第二代a b s产品采用了m c s - 9 6 系列8 0 9 8 单片机，控制软件、传感器和执行器都是自行研制；1 9 8 4 年兴平5 14 厂研制了第一代防抱死制动系统，其主要缺点是不能自动适应不同路况，以后该厂与西安公路交通大学合作研制了第二代防抱死制动系统，增设了路面识别功能的电路，但对于长轴距的大客车其实验则不是很理想。宏安公司是我国第一个批量生产a b s 的厂家，该公司于1 9 9 3 年投产，当年生产a b s5 0 0 0 套。中国重型汽车研究中心于1 9 9 5 年6 月对自制的a b s 系统进行了道路试验，其生产的a b s 基本上已达到了国外同类产品的性能；清华大学己开发研制了两代a b s ，并在分析b o s c ha b s 和b e n d i xa b s 的基础上开发研制了a b s 软件，还进行了b o s c ha b s 与南京i v e c o 旅行车、b e n d i xa b s 与克莱斯勒吉普车的匹配工作。德国w a b c o 公司于1 9 9 6 年在山东投资与中方合资组建了威明汽车产品有限公司，生产商用车的a b s 及其他产品。i t t 汽车工业公司在上海成立了两家合资企业，一家是上海汽车制动系统有限公司，1 9 9 7 年开始生产防抱死制动系统，1 9 9 8 年5 月1 5 日向上海大众和一汽大众提供a b s 产品：另一家是上海汽车电器系统有限公司，生产用于防抱死系统的汽车微电机。1 9 9 8 年在广州经济开发区成立了广州博世制动系统有限公司，生产b o s c h 公司的a b s 产品。虽然我国现在刚刚进入a b s 产品的研制阶段，但其发展前景和接纳新技术的应用市场很大。从国家法规来看，我国制定了车辆安全性能方面的法制法规：从产品技术来看，a b s 系统在理论上是可行的，技术上也日趋成熟，目前研制工作正在走引进消化与自行设计相结合的道路，可借鉴国外发展的经验，结合国情加快产品技术2成熟的速度：从商品化程度来看，我国现已建立了a b s 产品生产厂家，供应市场，推进了a b s 商品化的进程。以后随着汽车动力学、计算机技术和电子技术的发展，a b s 除朝着集成化、低价格、大批量的方向发展外，还在原有的系统上进行扩展，从而实现汽车各个系统综合控制的目的t 3 - 4 。但是虽然a b s 已经得到了很大程度上的推广，并且获得了较好的制动方向稳定性和较短的制动距离，但是它也有一定的缺陷，制动时在车轮的滑移率还没有达到a b s 的控制范围时，作用在四个车轮上的制动压力同时增大，然而由于前后车轮在制动时其垂直载荷发生了变化，所以前后车轮达到滑移的时间并不一致，这样说明a b s 系统对地面附着力的利用率并没有达到最大。因此a b s 就进一步发展从而衍生出了电子制动力分配系统( e b d ) 。汽车电子制动力分配( e b d ) 最初是为了提高a b s 转弯制动时的安全性而研究的，于1 9 8 9 年n i s s a nm o t o r 公司的n a k a z a t o 等人提出的，其思想是通过控制左、右轮制动力的分配来提高转弯制动的稳定性；1 9 9 2 年n i s s a nm o t o r 公司的s h i n j im a t s u m o t o 等人进一步提出了转向角前馈的制动力分配控制策略；同年i t tt e v e s 公司的b u s h m a n ，g 等人提出在半制动状态下利用a b s 硬件系统，通过改变控制逻辑来实现前、后轮制动力的合理分配，首次将e b d 作为a b s 或a b s a s r的附加功能提出。1 9 9 5 年n i s s a nd i e s e lm o t o r 公司的m n a k a z a z w a 等人提出了考虑车轮侧偏角的制动力分配控制方法，该控制方法以最大制动力为控制目标的控制模式和考虑了前、后轴和左右轮重量的转移的制动力分配模式，同时国内有关文献也对前、后轴的制动力分配进行了探讨。e b d 是a b s 的新发展，其全称是电子制动力分配系统。是在a b s 原有的基础上发展而来的系统，它可以在制动时控制制动力在各轮间的分配，更好的利用车轮的附着系数，不仅提高了汽车制动的稳定性和操纵性，而且使各个车轮能够获得更好的制动性能。它可以在汽车制动的瞬间，高速计算出四个车轮与地面的相互作用情况，然后调整制动装置，实现制动力与摩擦力( 牵引力) 的匹配，以保证车辆的平稳和安全。当紧急制动时，e b d 在a b s 作用之前根据前后轴的载荷的转移来动态的分配前、后轴的制动力。它的作用就是通过调整前、后轴制动力使前、后轴尽快达到同步附着，从而提高整车的制动效能。它可以改善并提高a b s 的功效，所以在安全指标上，汽车的性能又多了“a b s + e b d ”。e b d 系统的控制程序包括轮速的检测、参考车速的定义、车轮滑移率的计算、控制器的执行、制动压力的跟踪调节。相对与a b s 来说，e b d 只采用滑移率来检测，而不采用车轮减速度来检测车轮的抱死趋势，所以其门槛低、噪声小、制动舒适性好，所以又有“高舒适性的后桥a b s 之称1 5 - 6 1 。1 3 汽车制动控制系统的发展从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角3色 7 1 。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。众多的汽车工程师在改进汽车制动性能的研究中倾注了大量的心血。目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面，包括制动控制的理论和方法，以及采用的新技术。今天，车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。一方面是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。一些智能控制技术如神经网络控制技术等是现在比较新的控制技术，已经有人将其应用于汽车的制动控制系统中。但是，系统的成本和相关的法规是其投入应用的关键。经过了一百多年的发展，汽车制动系统的形式，已经基本固定下来。随着电子技术，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。如凯西一海斯( k - h ) 公司在一辆实验车上安装了一种电一液( e u ) 制动系统，该系统彻底改变了制动器的操作机理。通过采用4 个比例阀和电力电子控制装置，k - h 公司的e b m 就能考虑到基本制动、a b s 、e b d 、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况，而不需另外增加任何一种附加装置。e b m 系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效的分配基本制动力，从而使制动距离缩短5 。k h 公司并非是开发e u 和b b w 系统唯一的一家公司。这种系统在朝着完全无油液、完全的电路制动发展。电制动控制系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。这种混合制动系统是全电制动系统的过度方案。由于两套制动系统共存，使结构复杂，成本偏高。综上所述，现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。全电制动控制因其巨大的优越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统而占据下一代制动控制系统的统治地位。同时，随着其他汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个e c u 中，并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化【8 】。1 4 课题的研究意义和主要内容1 4 1 研究意义车辆模型的计算机仿真涉及系统仿真学、计算机技术和汽车设计技术。车体模型、悬架模型、制动系统模型和驾驶员模型等都可以在设计前通过计算机仿真，预计成品的参数和属性，为产品的设计提供具有相当价值的参考。4由于车辆系统是一个非常复杂的控制系统，精确的数学模型的建立、外界输入的模拟等都存在着需要解决的问题。汽车模型的计算机仿真是一个混合仿真系统，通过建立虚拟车辆模型，模拟实时的汽车运行环境。不仅避免大量复杂的数学模型研究与程序编写，还可以从整体角度的方向研究不同系统之间的相互影响。为a b s 和e b d 产品的开发打下基础。大大提高了设计效率，也降低了设计成本。汽车的安全性己成为世界性的课题，引起各国的高度重视。国内外汽车制动安全性的研究和应用己取得重要进展和成果。最早的汽车制动安全控制系统a b s 经过多年的完善，在很多国家已成为各类汽车的标准配置。在我国也已在中重型商用车、中高档乘用车等车型中得到普遍应用。尽管如此，国内关于a b s的研究和产品化技术与国外相比还有很大差距。总体上，国内具有独立知识产权的a b s 技术尚不成熟。在国外e b d 的研究文献中，e b d 已经实现较为完善的控制功能，如对开路面制动稳定性的控制，但大多需要更多的传感元件，增加了系统的复杂性。现在使用的e b d 大多是在a b s 硬件系统基础之上实现的，其控制思想是在a b s 起作用之前，使前、后轮尽快达到同步附着条件，从而提高制动效能。a b s 的控制思想的不足之处是没有充分考虑每个车轮路面附着条件的差异和制动时前后轮的重量转移，而地面附着条件的差异和前后轮的重量转移是影响制动效能和制动稳定性的重要因素。国内关于e b d 的研究文献士要以介绍现行装车使用的e b d 为主，具有完善控制功能的e b d 研究文献尚不多见。为适应当前我国汽车工业迅速发展需要，缩短与国外先进技术的差距，提高汽车的制动安全性。并针对现行e b d 的不足，本课题将对基于a b s 和e b d 的制动控制系统可能实现的功能进行深入的理论研究，并进行对比，在直观上展现了a b s 和e b d 在直线制动时的区别。1 4 2 本课题研究的主要内容虚拟样机技术的发展对研究上述制动系统具有重大意义。建立虚拟样机模型后，可以根据需要较为方便的对其进行扩展，利用其他领域的先进工具，不仅可以避免大量复杂数学模型的研究与程序编写，还可以从整体角度研究不同系统之间的相互影响，而其直观的表现形式可用于商业目的。本文在对虚拟样机技术及其较成功的商业软件a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 的多刚体原理进行初步剖析的基础上，利用a d a m s 软件进行汽车制动的仿真研究，以此说明汽车制动虚拟样机仿真的过程，并采用与m a t l a b 的联合仿真的方式对汽车a b s 和e b d 的制动性能进行研究，也显示了虚拟样机技术的可扩展性，为以后进一步开发做出了有益的尝试。本课题拟采用理论研究和仿真相结合的研究方法，通过理论研究进一步深入分析a b s 和e b d 制动控制系统的工作过程及制动效能，并建立较准确的轮胎、路面模型和四轮车辆模型：采用m a t l a b 、a d a m s 相结合的方法建立a b s 和e b d 的仿真模型，对它们的控制算法进行仿真，课题的主要任务是根据a d a m s中的路面和轮胎文件，建立适合仿真的整车模型，并创建高附着路面下整车a b s和e b d 的逻辑门限控制的制动联合仿真，并根据已有的路面文件，设计出对开路面的路面文件，并进行对开路面制动的联合仿真，从而在横向和纵向上比较a b s 和e b d 在不同路面上整车制动时的区别。6第二章a b s 和e b d 的结构和工作原理2 1a b s 和e b d 的理论基础a b s 的主要作用是防止制动时车轮抱死，提高车辆制动时方向的稳定性和可操纵性，防止制动时产生侧滑和甩尾等危险现象，缩短制动距离，使制动器的效能得到充分发挥。e b d 是作为a b s 系统的进一步发展。e b d f l 邑够根据由于汽车制动时产生的轴荷转移不同，而自动调节前、后轴的制动力分配比例，提高制动效能，并配合a b s 提高制动的稳定性。当汽车在制动时，四只轮胎附着的地面条件往往不一样。例如，左前轮和左后轮附着在干燥的水泥地面上，而右前轮和右后轮却附着在水中或泥水中，这种情况会导致在汽车制动时四只轮子与地面的摩擦力不一样，制动时容易造成打滑、倾斜甚至发生车辆侧翻的事故。e b d f 毙在汽车制动的瞬间通过电子控制器e c u 分别对四只车轮在路面上的附着和滑移情况进行测量和计算，通过控制执行器中的增压电磁阀和减压电磁阀的运作，调节每个分泵中的制动油压，使各个车轮的制动力不断的高速调整。e b d 在a b s 动作之前就已经平衡了每一个车轮的有效地面抓地力，可以防止出现甩尾和侧滑，并能有效地缩短汽车制动距离，保证车辆更平稳、舒适、安全、可靠的制动【9 】。汽车制动过程中会形成制动器制动力和地面制动力等摩擦力，其中真正直接使汽车减速停止的外力是地面作用于汽车车轮轮胎胎面上的地面制动力，究其产生原理，地面制动力取决于制动器制动力和车轮轮胎与地面间的摩擦力，而轮胎与地面间的最大摩擦力即为地面附着力，其大小等于地面对轮胎的垂直反作用力与附着系数的乘积。汽车制动时，当制动踏板力较小且未达到某一极限值时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎间的摩擦力( 地面制动力) 足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动，此时地面制动力的值与制动器制动力的值相等，且随制动踏板力的增长成正比的增长。当制动踏板力上升到一个足够大的值时，地面制动力达到最大值，即达到地面附着力，汽车车轮被抱死而出现滑移现象，此时地面制动力不再增大，而制动器制动力可以随着制动踏板力的增加而继续增大。因此，要提高地面制动力，改善汽车的制动效果，必须提高路面附着系数。由此可见，使汽车减速停车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受到地面附着条件的限制。要想获得足够的地面制动力，首先汽车要具有足够的制动器制动力，同时路面要提供较高的附着力。2 2a b s 的基本结构和工作原理2 2 1a b s 的基本结构a b s 一般由轮速传感器、电子控制单元、制动压力调节器三部分组成。不同7的a b s 中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理可能不同，电子控制单元和控制逻辑也不相同 1 0 - 1 i 。( 1 ) 轮速传感器轮速传感器的作用是获取汽车车轮转速信号并将其传送至i j a b s 中的电子控制单元。目前应用广泛的是电磁式转速传感器，由电磁感应传感头和齿圈两部分组成。电磁感应传感头一般固装在制动底板上，通常由永久性磁芯、感应线圈组成：齿圈一般安装在轮辋上，随车轮一起转动。当齿圈随车轮转动时，齿圈的齿顶和齿隙交替地与传感头磁芯端部相对，使感应线圈中的磁场周期性地变化，在线圈中就会产生类似正弦波的交变电压信号，该交变电压的频率与齿圈的齿数和转速成正比，因此可以准确反映车轮速度的变化。( 2 ) 电子控制单元电子控制单元简称e c u ，是汽车a b s 中的控制中心，由微处理器和其它数字电路组成，其内部电路结构主要由输入放大电路、运算电路、电磁阀控制电路及安全保护电路等组成。e c u 的主要功能是接收各轮速传感器输入的信号，经过滤波放大整形处理，可以计算出各车轮轮速、参考车速、加减速度及滑移率，再进行必要的逻辑分析比较，判断车轮运动状态，并以此为根据，输出控制指令，送至制动压力调节器，控制电磁阀，完成制动压力调节任务。e c u 的另一个功能是对制动系统进行监测，当e c u 监测盈 a b s 工作不正常时，会自动停止a b s 的工作并点亮a b s 报警灯，以免因系统故障造成错误的控制结果。( 3 ) 制动压力调节器对于液压制动系统，液压调节器根据电子控制单元的控制指令，通过电磁阀常开阀和常闭阀的开关切换，改变制动液的通路，从而形成增压、减压和保压三种压力状态，实现对轮缸制动压力的调节，使车轮保持在最佳制动状态。这种压力调节方式的特点是压力的变化是非连续的，而能够实现连续液压调节的液压伺服阀的成本又过高，因此目前主要使用高速开关阀和脉冲调制控制技术相结合，通过对脉冲频率和宽度的控制，实现对流量的近似连续调节。电磁阀的设计制造是a b s 领域的关键技术之一，电磁阀的成本通常占到整个装置成本的5 0 以上，因此设计出高性能低成本的制动压力调节器一直是a b s 领域主要的追求目标之一。2 2 2 逻辑门限控制的a b s 工作的基本原理逻辑门限控制方式是目前a b s 产品中使用最广泛也最为成熟的一种方式。逻辑门限控制方式的a b s 的控制参数是：车轮减速度( 或角减速度) ，加速度( 或角加速度) 和车轮滑移率。车轮的加速度和减速度通过轮速传感器输出的信号由e c u 经过微分计算确定。在计算车轮滑移率的时候首先需要确定该时刻的车速。把车轮的减速度达设定门限值时的瞬时车速作为a b s 控制时的初始车速，并按照事先所确定的斜率近似计算确定制动过程中任意时刻的车速( 参考车速) 。由参考车速和轮速计算可得任意时刻的车轮参考滑移率。用于a b s 对制动过程的控制 1 1 - 1 2 。实际的逻辑门控制方式的a b s 中控制参数有三种选择：( 1 ) 单独以滑移率作为控制参数。( 2 ) 单独以车轮角减速度作为控制参数。( 3 ) 以车轮角减速度和滑移率联合控制，其中滑移率用作辅助控制参数使用。本文采用的是单独以滑移率作为控制参数的控制方式。2 3e b d 的基本结构和工作原理e b d 是基于a b s 的硬件基础上发展而来的，它的功能是通过改进a b s 软件的控制逻辑而实现的，并不需要增加任何的硬件配置。e b d 的作用就相当于a b s系统的一个子系统，有效的控制车辆四个车轮的附着力。e b d ( 电子制动力分配)系统，在车轮达到一定的制动滑移率范围之前，也就是在a b s 发生控制之前，就根据前后轮上垂直载荷的大小及路面附着情况调整最佳滑移率，分配制动力。使制动压力的分配尽可能地符合理想的分配曲线，使前后轮尽快达到同步附着条件，进一步完善防抱死系统的功能。因此优化了汽车制动操作过程中的行驶特性。并且保证前、后车轮达到最大的制动强度，进一步的缩短制动距离 1 3 - 1 4 1 。e b d 制动力分配系统在制动时可根据实际行驶状况，把恰当的制动力分配到前、后车轮；同时，在车辆转向时控制左右侧车轮的制动力，保证车辆在转向过程中的稳定性。e b d 能在汽车的制动瞬间通过电子控制器e c u 分别对各个车轮在路面上的附着和滑移情况进行测量与计算，控制其执行器中的增压电磁阀和减压电磁阀的运作，调节每个分泵中的制动油压，使各个轮胎的制动力不断的高速调整，保证车辆更平稳、舒适并安全可靠地制动。为了防止后轴抱死发生危险的侧滑，汽车制动系的实际前后制动力的分配线应总是在理想的制动力分配线下方，为了缩短整车制动时的制动距离，提高综合的制动效果，卢线应越靠近i 曲线越好【6 ，l5 1 。如图所示：一羊暑将l辑1 碹黝殿篓驯动力分毫。：1 “p _ ，轻赣时理憋的s 警已钳动力分隧 吵：= = 未窖朝溉j 乞医力鞠节鞭簟轮动力图2 1e b d 控制系统的汽车制动力分配曲线车辆在传统制动系统的控制下的制动情况是：液压制动系统施加在每个车轮上的制动力是按固定比例的，因此不能有效的利用液压系统给出的制动力，9这样会造成液压制动能量的损失，也不能达到有效的缩小制动距离和提高制动方向稳定性的要求。车辆在a b s $ 0 动控制下的实际情况是：在制动初期，制动系统在车轮上施加的制动力不断增加，直到车轮进入滑移率的控制范围( 这个范围根据各个车型和工作环境的不同而有所不同) ，由a b s 系统发出指令控制制动力，控制车轮滑移率在这个给定的范围内，有效的利用地面的附着力，以达到减小制动距离和增加制动时方向稳定性的要求。汽车制动时，如果四只轮胎的地面附着条件不同，比如，左侧车轮在低附着路面，而右侧车轮在高附着路面，则四个车轮与地面的摩擦力不同，a b s $ 4 动时，左、右两侧车轮的制动力相同就容易产生侧滑和横摆等现象。先进的e b d 系统就是在制动时，实时采集车速、轮胎转速等信息，经过e c u 计算得出不同车轮最合理的制动力。即使在刚开始制动时，也根据车辆所承载的负荷和车辆制动时的速度情况的不同，按照四个轮子垂直载荷的变化及地面附着系数，进行制动力的分配，使车轮对地面的附着系数的利用达到最佳，这样即缩短了制动距离，又能保持车辆制动时的行使稳定性。它使车辆从正常行驶到部分制动，再到a b s 制动系统的控制范围之间有个平稳过渡，在这个过程中更大的利用地面的附着力。例如，在直线制动时，由于车辆产生了一个加速度，车辆有向前俯倾的惯性力，这个力对地面取矩，则可以得到车辆作用在前后车轮上的垂直载荷发生了一个厶g 的转移，这个力从后轮向前轮转移如果系统中没有e b d ，则后轮先出现滑移，先达到a b s 的控制范围。前后轮的滑移情况之间有显著的区别，如果路面附着系数相同，则他们滑移时的最大制动力接近一定的比例值，如果路面附着系数不相同，将车轮上得到的垂直载荷与附着系数的乘积作为控制对象，平衡每个车轮上的制动力，避免出现高于所需要的制动力的情况，这样，制动性能得到提高，既缩短了制动距离也保持了制动时的方向稳定性。- | 孓 窆j 暇真车1 孓菇! # 丰仑自由辛睫动争l 移率车轮色孑吧翌孓! 互苎习朗de 己5 己目a b s图2 2e b d 的工作区间从一些资料可以了解，e b d 由于不采用车轮减速度而只采用滑移率来检测车轮的抱死趋势，相对于a b s 来说，其滑移率的门槛值更低一些( a b s 的滑移率在1 5 - 3 0 ) 。在制动过程中，e b d 先起作用，当车轮接近抱死时，a b s 才起作用，而e b d 作用消失，即e b d 和a b s 不能同时对车轮的制动力进行控制。其控制过程如图所示：1 02 4 车辆的制动动力学图2 3e b d 的控制过程2 4 1 制动系统结构特点任何汽车的制动系统都具有以下四个基本组成部分：供能装置、控制装置、传能装置、制动器，完善的制动系统还具有制动力调节装置以及报警装置、压力保护装置等附加装置。供能装置包括供给、调节制动所需的能量以及改善传能介质的状态；控制装置包括产生制动动作和控制制动效果的各种部件；传动装置包括将制动能量传输到制动器的各个部件；制动器是产生阻碍车辆的运动或运动趋势的力( 制动力) 的部件，其中盘式制动器和鼓式制动器最为常用，而盘式制动器一般无摩擦助力作用，制动器效能受摩擦系数的影响较小，效能较稳定，浸水后效能降低较少，只须经一两次制动即可恢复正常，在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量一般较小；制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会像制动鼓的热膨胀那样使制动器间隙明显过大而导致制动踏板行程过大；较容易实现间隙自动调整，其他保养修理作业也较简便。因此，盘式制动器越来越多的被各级轿车和货车用作车轮的制动器【l6 1 。2 4 2 地面制动力图2 - 4 画出了在良好的路面上制动时车轮的受力情况。在设计中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力偶矩均忽略不计。z ，是车轮制动器中摩擦片与制动鼓或制动盘相对滑转时的摩擦力矩，单位为n 宰m ；f 场是地面制动力，单位为n ；矿为车轮垂直载荷、耳为车轴对车轮的推力、最为地面对车轮的法向反作用力，它们的单位均为n 。衫、l- j 一【一31 l 了31l v hf z图2 4 车轮在制动时的受力情况显然从力矩平衡得到：7 = 2( 2 一1 )厂其中，r 为车轮半径( m ) 。地面制动力是使汽车制动面减速行驶的外力，但是地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩擦力，一个是轮胎与地面间的摩擦力一附着力【1 1 1 。2 4 3 制动器制动力在轮胎周缘为了克服制动器牵接力矩所需的力称为制动器制动力，以符号f ，。表示。它相当于把汽车架离地面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力，显然乃= 孚治2 )式中，互。为制动器的摩擦力矩( n 堆m ) 。由式( 2 2 ) 可知，制动器制动力仅由制动器结构参数所决定，即取决于制动器的形式、结构、尺寸、制动器摩擦副的摩擦因数以及车轮半径，并与制动踏板力，即制动系的液压或空气压力成正比。2 4 4 地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系在制动时，若只考虑车轮的运动为纯滚动与抱死拖滑两种状况，当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力增长成正比地增长( 图2 5 ) 。但地面制动力是滑动摩擦的约束反力，它的值1 2不能超过附着力，l f t p = e 妒( 2 3 )或最大地面制动力f 晒叫。为厶一= e 缈( 2 4 )当制动器踏板力f p 或制动系液压力尸上升到某一值( 图2 5 ) 中为制动系液压力p 。) 、地面制动力f 肋达到附着力f 口值时，车轮即抱死不转而出现拖滑现象。制动系液压力p p 。时，制动器制动力f 。由于制动器摩擦力矩的增长而仍按直线关系继续上升。但是，若作用在车轮上的法向载荷为常数，地面制动力f 肋达到附着力f 口的值后就不再增加。c亡i枣图2 5 地面制动力、制动器制动力及附着力的关系由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力。2 4 5 滑移率上面曾假设车轮的运动只有纯滚动和抱死抱滑。但是在汽车的实际制动过程中，车轮在路面上的纵向运动可以区分为两种形式一滚动和滑移。即在汽车制动过程中，车轮可能相对路面发生滑移，滑移成分在车轮纵向运动中所占的比例用滑移率来定量表示：s ：! 二竺：鱼1 0 0 ( 2 5 )1 ，式中：，车轮中心的纵向线速度，即通常所说的车速，单位m s 。r 。车轮自由滚动半径，即无地面制动力时的滚动半径，单位m 。刃车轮转动的角速度，单位r a d s 。从上式可以看出，当车速等于轮速，即车轮纯滚动时，s - - - 0当轮速等于0在纯滑动时，s = 1 0 0 。附着系数与滑移率之间的关系曲线是a b s 系统进行调节的主要依据，典型的附着系数与滑移率曲线如图2 3 所示。2 4 6 逻辑门限控制的工作原理尽管人们对a b s 的控制方式进行了大量的探索和研究，但是现在汽车上普遍使用的a b s 依然采用逻辑门控制方式 1 2 , 1 7 。图2 6 典型的附着系数与滑移率关系曲线由实验还可知，当车轮处在纯滚动状态时，侧向附着系数最大，此时汽车保持转向和防比侧滑的能力最强。随着滑移率的增加，与制动过程方向稳定性有直接关系的侧向附着系数急剧下降。当s = 1 0 0 时，车轮抱死滑动，侧向附着系数变得极小，轮胎与路面之间的侧向附着力接近于零，车轮将完全丧失抵抗外界侧向力作用的能力。此时，稍有侧向力干扰( 如路面不平产生的侧向力、汽车重力的侧向分力) 就会产生侧滑而失去稳定性。如果因为汽车的紧急制动( 尤其是高速行驶时) 而使车轮完全抱死，那是非常危险的。若前